基于能源互聯(lián)網(wǎng)的多微網(wǎng)控制物理仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

周建強(qiáng) 許海園 秦光耀

摘 要：能源互聯(lián)網(wǎng)是解決能源問(wèn)題的關(guān)鍵，但關(guān)于能源互聯(lián)網(wǎng)還有許多關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決。物理仿真系統(tǒng)是研究驗(yàn)證電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)施，基于D5000平臺(tái)搭建3個(gè)微電網(wǎng)的能源互聯(lián)網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)，能夠方便靈活地驗(yàn)證未來(lái)多微電網(wǎng)的各種問(wèn)題，同時(shí)也為能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)及示范工程的建設(shè)提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng);微電網(wǎng);仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā);D5000

1 緒論

能源安全、環(huán)境污染和氣候變化是當(dāng)今人類社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展面臨的主要能源問(wèn)題。能源互聯(lián)網(wǎng)能有效解決可再生能源的間歇性和波動(dòng)性問(wèn)題，被看作解決能源問(wèn)題的重要途徑[1，2]。智能微電網(wǎng)是未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)組成的基本單元，是未來(lái)分布式能源利用的主要組網(wǎng)模式。多微網(wǎng)之間的智能協(xié)調(diào)控制是能源互聯(lián)網(wǎng)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

微電網(wǎng)作為分布式電源接入電網(wǎng)的有效方式受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者多方面的研究[3-5]。但在多微網(wǎng)系統(tǒng)方面研究還主要集中在軟件仿真分析與算例優(yōu)化等方面[6]，也有一些實(shí)驗(yàn)室和研究性多微電網(wǎng)系統(tǒng)[5]，但基于能源互聯(lián)網(wǎng)和能源路由器的多微電網(wǎng)系統(tǒng)還鮮有報(bào)道。

目前能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展還處于初級(jí)階段，它是一個(gè)分布式能源發(fā)電、輸電、用電、信息通信、智能控制等等多技術(shù)領(lǐng)域交叉學(xué)科。研究開(kāi)發(fā)基于能源互聯(lián)網(wǎng)的多微網(wǎng)控制物理仿真系統(tǒng)綜合平臺(tái)，不但能夠多微網(wǎng)智能控制調(diào)度仿真研究，而且還能為能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供一定的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐，為智能微電網(wǎng)建設(shè)具有較強(qiáng)的示范和引領(lǐng)作用。

2 多微網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基于能源互聯(lián)網(wǎng)多微網(wǎng)仿真系統(tǒng)需求分析

在未來(lái)的能源互聯(lián)網(wǎng)中，微電網(wǎng)包括交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)。交流電網(wǎng)具有電壓轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)單，而直流電網(wǎng)穩(wěn)定，輸送距離遠(yuǎn)，因此未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)也必將是一個(gè)交-直流混聯(lián)的電網(wǎng)。在多微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)中，應(yīng)包括交流電網(wǎng)和直流電網(wǎng)，研究驗(yàn)證交流電網(wǎng)和直流電網(wǎng)的運(yùn)行特性。能源路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備，電能是最易傳輸、轉(zhuǎn)換和利用的二次能源，因此未來(lái)的能源互聯(lián)網(wǎng)將是以電能為主的能源互聯(lián)網(wǎng)，電力能源路由器是未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的核心。在基于能源互聯(lián)網(wǎng)多微網(wǎng)仿真系統(tǒng)中，應(yīng)有電力能源路由器把交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)聯(lián)結(jié)起來(lái)。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，每一個(gè)發(fā)電、儲(chǔ)能、用電單元都應(yīng)是一個(gè)獨(dú)立的主體，滿足即插即用功能，在滿足電力系統(tǒng)安全的前提下，基于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的規(guī)律，進(jìn)行發(fā)電、儲(chǔ)能、用電的控制[7，8]。同時(shí)，每一個(gè)微電網(wǎng)既是一個(gè)能源供給和消費(fèi)的單元，也是一個(gè)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的主體。每一個(gè)微網(wǎng)可以根據(jù)自身預(yù)期，向外電網(wǎng)購(gòu)入或出售期望的電量，實(shí)現(xiàn)自身經(jīng)濟(jì)價(jià)值最大化。中央層只需根據(jù)每個(gè)子網(wǎng)達(dá)成交易的電量和功率控制能源路由器向子網(wǎng)供電，子網(wǎng)集控層負(fù)責(zé)子網(wǎng)負(fù)荷的平衡，管理儲(chǔ)能、釋放儲(chǔ)能還是根據(jù)負(fù)荷的總需求切除部分負(fù)荷。所以基于能源互聯(lián)網(wǎng)的多微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)需要能夠?qū)崿F(xiàn)分層分區(qū)域進(jìn)行控制[9]。

2.2 基于能源互聯(lián)網(wǎng)多微網(wǎng)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述需求分析，能源互聯(lián)網(wǎng)多微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為3個(gè)微電網(wǎng)通過(guò)一個(gè)4端口能源路由器互聯(lián)。2個(gè)交流微電網(wǎng)母線電壓為380V，1個(gè)直流微電網(wǎng)母線電壓為300V，仿真系統(tǒng)通過(guò)能源路由器與實(shí)驗(yàn)室電網(wǎng)并網(wǎng)，如圖1。通過(guò)能源路由器，微電網(wǎng)可以從大電網(wǎng)中獲取能量，也可以向大電網(wǎng)中輸送能量，還可以在不同的微電網(wǎng)間進(jìn)行定功率或非定功率的能量輸送，從而通過(guò)交易系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電能的競(jìng)價(jià)購(gòu)銷(xiāo)。

每個(gè)微電網(wǎng)也是一個(gè)獨(dú)立的能源網(wǎng)單元，為模擬能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)等、開(kāi)放、即插即用的特征，除每個(gè)微電網(wǎng)有分層控制系統(tǒng)外，發(fā)電、儲(chǔ)能、用電負(fù)載也都有自己的智能控制系統(tǒng)。為了模擬電網(wǎng)中的各種分布式電源、儲(chǔ)能裝置和負(fù)載。單晶硅、多晶硅和薄膜電池是目前最主要的分布式光伏發(fā)電組件，在3個(gè)不同的微電網(wǎng)中，分別用了3種不同的組件，其中垂直安裝的薄膜太陽(yáng)能電池是未來(lái)光伏與建筑結(jié)合的主要形式。鉛酸電池、鋰電池是目前微電網(wǎng)中主要的儲(chǔ)能設(shè)施，也是本仿真系統(tǒng)的首選，另外超級(jí)電容儲(chǔ)能具有充放電時(shí)間短、改善電能質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，因此在仿真系統(tǒng)中還選擇了超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置?？照{(diào)器、空氣能熱水器和充電樁是未來(lái)微電網(wǎng)中的主要大功率負(fù)載，并且具有短時(shí)間可中斷性，因此也是多微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)中的主要負(fù)載。另外為了試驗(yàn)靈活性，在每個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)中，還設(shè)計(jì)了一套可調(diào)節(jié)的阻性負(fù)載、容性和感性負(fù)載。微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)設(shè)備具體配置及其參數(shù)如下表。

3 多微網(wǎng)仿真平臺(tái)控制系統(tǒng)及通信設(shè)計(jì)

目前還沒(méi)有關(guān)于能源互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于微電網(wǎng)控制系統(tǒng)多是基于工業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。關(guān)于微電網(wǎng)設(shè)備間的通信協(xié)議也主要基于工業(yè)系統(tǒng)的通信協(xié)議，如在底層設(shè)備之間RS232、RS485通信協(xié)議居多，但通信格式必須事先約定，在沒(méi)有能源互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，設(shè)備的“即插即用、互聯(lián)共享”帶來(lái)了較大障礙。在沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的情況下，作為基于能源互聯(lián)網(wǎng)的多微網(wǎng)仿真平臺(tái)，其控制系統(tǒng)必須具有較大的靈活性，同時(shí)也要與現(xiàn)有的電力設(shè)備具有較強(qiáng)的通用性，容易與大電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息交互。平臺(tái)應(yīng)有較大的靈活性，有豐富的設(shè)備、監(jiān)控末端可以選擇。

3.1 多微網(wǎng)仿真系統(tǒng)控制平臺(tái)的選擇

因此目前在電網(wǎng)系統(tǒng)中普遍采用D5000調(diào)度系統(tǒng)，其功能全面、安全性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，支持百萬(wàn)級(jí)的數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)監(jiān)控;大部分智能電氣設(shè)備都支持D5000系統(tǒng)，其架構(gòu)體系如圖2。

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)

能源互聯(lián)網(wǎng)中的微電網(wǎng)運(yùn)行控制更加依賴于信息的采集與傳輸，同時(shí)微電網(wǎng)設(shè)備的響應(yīng)特性對(duì)通信的實(shí)時(shí)性與可靠性要求更高，通信系統(tǒng)是微電網(wǎng)運(yùn)行控制與管理的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)均有本地監(jiān)控工作站，對(duì)各自微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，負(fù)責(zé)各自微電網(wǎng)的本地監(jiān)控。能源互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)匯集所有微電網(wǎng)的數(shù)據(jù)，包含各微電網(wǎng)本地監(jiān)控的所有功能，同時(shí)，負(fù)責(zé)各微電網(wǎng)間的整體運(yùn)行優(yōu)化和調(diào)度。微電網(wǎng)的各個(gè)設(shè)備（如風(fēng)機(jī)變流器、儲(chǔ)能PCS）和通信管理機(jī)之間采用雙絞線以太網(wǎng)進(jìn)行通信，微電網(wǎng)控制器、監(jiān)控工作站以及各個(gè)服務(wù)器之間，采用光纖以太網(wǎng)進(jìn)行通信。系統(tǒng)監(jiān)控與通信拓?fù)鋱D如圖3。

為實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行與優(yōu)化調(diào)度，本仿真系統(tǒng)三層的通信功能如下：

（1）就地控制層。該層也稱過(guò)程層，包括與被測(cè)量控制對(duì)象直接相連的各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備、儀表、智能控制裝置等，這些設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線（RS485/工業(yè)以太網(wǎng)）進(jìn)行互聯(lián)，負(fù)責(zé)將測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)向上層（微電網(wǎng)控制層）的通信管理機(jī)傳輸，并負(fù)責(zé)接收上層的控制指令。

（2）微電網(wǎng)控制層。微電網(wǎng)控制層是中間層，通常采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)控制器、通信管理機(jī)、微電網(wǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)等設(shè)備的互聯(lián)。就地控制層采集的設(shè)備節(jié)點(diǎn)信息送到微電網(wǎng)控制層，微電網(wǎng)控制層的控制器負(fù)責(zé)將采集的信息進(jìn)行匯聚、處理、研判和疏導(dǎo)，微電網(wǎng)控制器產(chǎn)生的控制指令通過(guò)通信管理機(jī)下發(fā)控制指令給就地控制層的設(shè)備，將部分或全部信息上傳給能源互聯(lián)網(wǎng)調(diào)度層;同時(shí)微電網(wǎng)控制層接收互聯(lián)網(wǎng)調(diào)度層的決策信息，并轉(zhuǎn)換為控制指令下發(fā)給就地控制層，起到“承上啟下”的作用。

（3）能源互聯(lián)網(wǎng)調(diào)度層。能源互聯(lián)網(wǎng)調(diào)度層為最上層，負(fù)責(zé)接收多個(gè)微電網(wǎng)控制層上傳的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行匯總、處理、分析與決策，并負(fù)責(zé)給微電網(wǎng)控制層下發(fā)決策后的調(diào)度指令，從而對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)控。本方案采用千兆光纖以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)調(diào)度層設(shè)備間的互聯(lián)，包括：三個(gè)微電網(wǎng)控制器、微電網(wǎng)互聯(lián)控制器、網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)服務(wù)器、能源互聯(lián)網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)、可視化觸摸屏等設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)校園能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全、可靠與優(yōu)化運(yùn)行奠定通信基礎(chǔ)。

3.3 通信規(guī)約

基于一體化支撐平臺(tái)的前置機(jī)應(yīng)用功能，實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)調(diào)度層與微電網(wǎng)控制層的規(guī)約通信。支持以太網(wǎng)或標(biāo)準(zhǔn)串行接口，與微電網(wǎng)控制層的通訊采用符合DL/T634和DL451標(biāo)準(zhǔn)的101、104通信規(guī)約和CDT通信協(xié)議。支持與各種智能裝置和數(shù)據(jù)源通信。支持與現(xiàn)有地區(qū)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)間的雙向數(shù)據(jù)通信，通信協(xié)議支持IEC60870-6（TASE.2）、DL476-92、IEC60870-5-104等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

4 多微網(wǎng)仿真平臺(tái)分層控制設(shè)計(jì)

仿真系統(tǒng)的開(kāi)放性將是進(jìn)行靈活仿真的關(guān)鍵，多微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)按照開(kāi)放性、智能化的特征進(jìn)行構(gòu)建。未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)將是一個(gè)分層分區(qū)域運(yùn)行控制的電網(wǎng)，故本仿真系統(tǒng)也采用分層、分區(qū)域方式對(duì)多微網(wǎng)進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)采用“多微電網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)”[10]：能源互聯(lián)網(wǎng)調(diào)度層（上層）、微電網(wǎng)監(jiān)控層（中間層）、就地控制層（下層），每一層的控制算法都是開(kāi)放的，可以根據(jù)研究的需要進(jìn)行控制策略的更改。

調(diào)度層是本能源互聯(lián)網(wǎng)的最高控制管理層，主要完成三個(gè)微電網(wǎng)之間的能量?jī)?yōu)化調(diào)度功能。配置獨(dú)立的微電網(wǎng)互聯(lián)控制系統(tǒng)一套，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力能量路由器、并網(wǎng)及聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控。配置環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境和交流微電網(wǎng)電能質(zhì)量狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

中間層稱為局部集中控制層（微電網(wǎng)監(jiān)控層），是智能微電網(wǎng)的控制單元，其功能是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)控制和分析，響應(yīng)上層（能源互聯(lián)網(wǎng)調(diào)度層）的調(diào)度命令，集中管理單個(gè)微電網(wǎng)的DG、儲(chǔ)能和各類負(fù)荷，對(duì)本微電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和并離網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行控制。調(diào)度層和中間層都采用D5000控制，在D5000配置文件中可以設(shè)計(jì)調(diào)度控制策略，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度、安全策略調(diào)度的仿真。

就地層負(fù)責(zé)執(zhí)行微電網(wǎng)各DG調(diào)節(jié)、儲(chǔ)能充放電控制和負(fù)荷控制及用電設(shè)備的信息采集等作用，也就是DG、儲(chǔ)能、用電單個(gè)功能個(gè)體內(nèi)部的控制。仿真系統(tǒng)的智能控制設(shè)備負(fù)責(zé)單個(gè)設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)與中間層不斷進(jìn)行信息交互。就地層控制器全部采用開(kāi)放式設(shè)計(jì)，可根據(jù)仿真的需要進(jìn)行程序代碼的更改）。

5 結(jié)論

電力能源互聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的核心，開(kāi)發(fā)基于能源互聯(lián)網(wǎng)多微電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)為能源互聯(lián)網(wǎng)的研究提供了靈活的驗(yàn)證平臺(tái)。本系統(tǒng)基于D5000調(diào)度平臺(tái)，采用交、直流子微網(wǎng)通過(guò)能源路由器實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，可以控制微網(wǎng)與電網(wǎng)間的潮流流動(dòng)、子網(wǎng)間的能量調(diào)度，而且可以進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度模擬，甚至競(jìng)價(jià)上網(wǎng)調(diào)度方式的仿真模擬，具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，為能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)及示范工程的建設(shè)提供了有益的參考。

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作者簡(jiǎn)介：周建強(qiáng)（1975—），男，副教授，研究方向：可再生能源發(fā)電技術(shù)。